JPH06295728A - 固体高分子型燃料電池用電極およびそれを用いた燃料電池 - Google Patents
固体高分子型燃料電池用電極およびそれを用いた燃料電池Info
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- JPH06295728A JPH06295728A JP5081653A JP8165393A JPH06295728A JP H06295728 A JPH06295728 A JP H06295728A JP 5081653 A JP5081653 A JP 5081653A JP 8165393 A JP8165393 A JP 8165393A JP H06295728 A JPH06295728 A JP H06295728A
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 固体高分子型燃料電池用電極であり、気孔径
が大きく、最適な気孔率を有し、固有抵抗が小さくかつ
厚みの小さい炭素紙をガス拡散層に用いることにより、
高い気体透過能を示し、かつ低い抵抗の固体高分子型燃
料電池用電極およびそれを用いた固体高分子型燃料電池
を提供するものである。 【構成】 ポリアクリロニトリルを原料とする炭素繊維
からなる厚さ０．１〜０．３mmの炭素紙にフッ素樹脂に
よる撥水処理を行ったものをガス拡散層に用いる。これ
により、ガス拡散層および電極の薄層化が可能となり、
固体高分子型燃料電池用電極の気体透過能を高め、かつ
その抵抗を減少させることができる。
が大きく、最適な気孔率を有し、固有抵抗が小さくかつ
厚みの小さい炭素紙をガス拡散層に用いることにより、
高い気体透過能を示し、かつ低い抵抗の固体高分子型燃
料電池用電極およびそれを用いた固体高分子型燃料電池
を提供するものである。 【構成】 ポリアクリロニトリルを原料とする炭素繊維
からなる厚さ０．１〜０．３mmの炭素紙にフッ素樹脂に
よる撥水処理を行ったものをガス拡散層に用いる。これ
により、ガス拡散層および電極の薄層化が可能となり、
固体高分子型燃料電池用電極の気体透過能を高め、かつ
その抵抗を減少させることができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は燃料として純水素、また
はメタノールや化石燃料からの改質水素などの還元剤を
用い、空気や酸素を酸化剤とする燃料電池の触媒及びそ
れを用いた電極およびそれを用いた燃料電池に関するも
のであり、特に固体高分子型燃料電池用電極およびそれ
を用いた固体高分子型燃料電池に関するものである。
はメタノールや化石燃料からの改質水素などの還元剤を
用い、空気や酸素を酸化剤とする燃料電池の触媒及びそ
れを用いた電極およびそれを用いた燃料電池に関するも
のであり、特に固体高分子型燃料電池用電極およびそれ
を用いた固体高分子型燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子型燃料電池では、電極基板を
兼ねた多孔質のガス拡散層上に、貴金属触媒を担持した
炭素粉末とフッ素樹脂とを混合して形成したガス拡散電
極を用いる。この多孔質のガス拡散層として、特開平３
−１０２７７４号公報では炭素粉末とＰＴＦＥからなる
シートを、特開昭６４−５０３６４号公報ではフッ素樹
脂で撥水化処理した炭素粉末をホットプレスによって成
型したものを用いている。また、リン酸型燃料電池用電
極は固体高分子型燃料電池用電極と同様の構造であるの
で、固体高分子型燃料電池への応用が可能であり、例え
ば特公昭６１−５１３８６号公報では炭素繊維からなる
多孔質の炭素紙をガス拡散層に用いている。
兼ねた多孔質のガス拡散層上に、貴金属触媒を担持した
炭素粉末とフッ素樹脂とを混合して形成したガス拡散電
極を用いる。この多孔質のガス拡散層として、特開平３
−１０２７７４号公報では炭素粉末とＰＴＦＥからなる
シートを、特開昭６４−５０３６４号公報ではフッ素樹
脂で撥水化処理した炭素粉末をホットプレスによって成
型したものを用いている。また、リン酸型燃料電池用電
極は固体高分子型燃料電池用電極と同様の構造であるの
で、固体高分子型燃料電池への応用が可能であり、例え
ば特公昭６１−５１３８６号公報では炭素繊維からなる
多孔質の炭素紙をガス拡散層に用いている。
【０００３】固体高分子型燃料電池では、電解質に固体
高分子電解質であるイオン交換膜を用いる。このイオン
交換膜は水で膨潤した状態でなければイオン伝導性を示
さない。そのため固体高分子型燃料電池では６０〜１０
０℃で加湿した燃料ガスおよび酸化ガスを導入し、イオ
ン交換膜へ水の供給を行う。しかし加湿を行うことによ
って燃料ガスおよび酸化ガスが希釈されるため、優れた
放電特性および高い電流密度を得るためには、電極のガ
ス拡散層には高いガス透過能が必要となる。また、高電
流密度を得るためには電池の内部抵抗を減少させる、す
なわち電極の構成材料の抵抗を減少させることが重要と
なっている。
高分子電解質であるイオン交換膜を用いる。このイオン
交換膜は水で膨潤した状態でなければイオン伝導性を示
さない。そのため固体高分子型燃料電池では６０〜１０
０℃で加湿した燃料ガスおよび酸化ガスを導入し、イオ
ン交換膜へ水の供給を行う。しかし加湿を行うことによ
って燃料ガスおよび酸化ガスが希釈されるため、優れた
放電特性および高い電流密度を得るためには、電極のガ
ス拡散層には高いガス透過能が必要となる。また、高電
流密度を得るためには電池の内部抵抗を減少させる、す
なわち電極の構成材料の抵抗を減少させることが重要と
なっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の炭素粉末とフッ素樹脂からなるシートや、撥水化処
理した炭素粉末をプレスによって成型したガス拡散層で
は、細孔径が小さいために十分に高いガス透過能を有す
る電極が得られない。さらに、このようなガス拡散層で
はフッ素樹脂が５０〜７０ｗｔ％と多く、抵抗が大きく
なるという欠点を有していた。また、リン酸型燃料電池
用電極で用いられる多孔質の炭素紙は細孔径、気孔率は
共に大きく、高いガス透過能を有するが、セルロースや
ピッチを炭素繊維の原料とするために曲げ強度が数十〜
１５０kg/cm2と低く、炭素紙の厚みを０．３mm以下にす
ることが困難であった。そのため、電極の薄層化による
電池の内部抵抗の減少が困難となり、その結果、優れた
放電特性が得られなかった。
来の炭素粉末とフッ素樹脂からなるシートや、撥水化処
理した炭素粉末をプレスによって成型したガス拡散層で
は、細孔径が小さいために十分に高いガス透過能を有す
る電極が得られない。さらに、このようなガス拡散層で
はフッ素樹脂が５０〜７０ｗｔ％と多く、抵抗が大きく
なるという欠点を有していた。また、リン酸型燃料電池
用電極で用いられる多孔質の炭素紙は細孔径、気孔率は
共に大きく、高いガス透過能を有するが、セルロースや
ピッチを炭素繊維の原料とするために曲げ強度が数十〜
１５０kg/cm2と低く、炭素紙の厚みを０．３mm以下にす
ることが困難であった。そのため、電極の薄層化による
電池の内部抵抗の減少が困難となり、その結果、優れた
放電特性が得られなかった。
【０００５】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、気孔径が大きく、最適な気孔率を有し、固有抵抗が
小さくかつ薄い炭素紙をガス拡散層に用いることによっ
て、高いガス透過能を有し、かつ低い抵抗の固体高分子
型燃料電池用電極およびそれを用いた固体高分子型燃料
電池を提供することを目的とする。
で、気孔径が大きく、最適な気孔率を有し、固有抵抗が
小さくかつ薄い炭素紙をガス拡散層に用いることによっ
て、高いガス透過能を有し、かつ低い抵抗の固体高分子
型燃料電池用電極およびそれを用いた固体高分子型燃料
電池を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明はポリアクリロニトリル（以下ＰＡＮとす
る）を原料とする炭素繊維からなる炭素紙をフッ素樹脂
で撥水処理したガス拡散層を用いた固体高分子型燃料電
池用電極およびその電極を用いた固体高分子型燃料電池
である。さらに炭素紙の厚みを０．１〜０．３mmにして
なるものである。
に、本発明はポリアクリロニトリル（以下ＰＡＮとす
る）を原料とする炭素繊維からなる炭素紙をフッ素樹脂
で撥水処理したガス拡散層を用いた固体高分子型燃料電
池用電極およびその電極を用いた固体高分子型燃料電池
である。さらに炭素紙の厚みを０．１〜０．３mmにして
なるものである。
【０００７】
【作用】このガス拡散層を用いることによって、電極の
薄層化が可能となり、電極のガス透過能が向上し、かつ
電極の抵抗および電池の内部抵抗を減少させることが可
能となった。
薄層化が可能となり、電極のガス透過能が向上し、かつ
電極の抵抗および電池の内部抵抗を減少させることが可
能となった。
【０００８】
【実施例】以下、実施例によりさらに詳しく説明する。
【０００９】
【表１】
【００１０】電極基板として、（表１）に示す原料の異
なる炭素繊維からなり、撥水処理を行った厚み及び固有
抵抗の異なる炭素紙、およびＰＴＦＥを添加した炭素微
粉末からなるシートを用いた。気孔率および細孔径分布
の測定には水銀ポロシメーター（島津製作所製）を用い
た。 （実施例１）白金触媒を１０〜２５重量％担持させた炭
素微粉末を、ポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴ
ＦＥとする）を２５〜７０重量％添加することによって
撥水処理した炭素微粉末と混合し、触媒層用混合粉末と
した。この混合粉末を、４フッ化エチレンと６フッ化プ
ロピレンとの共重合体からなるフッ素樹脂（以後ＦＥＰ
と略す）を重量比で３０〜６０％添加した、ＰＡＮを原
料とする炭素繊維からなる厚さ０．１mmの炭素紙Ａに散
布し、予備成型した。この成型体を３４０〜３８０℃の
温度、５〜２０kg/cm2の圧力でホットプレスしてガス拡
散電極を作成し、この電極上にイオン交換樹脂溶液を塗
布した電極をＡ’とする。イオン交換樹脂溶液は、米国
デュポン社製のＮａｆｉｏｎを用いた米国アルドリッチ
・ケミカル社製のイオン交換樹脂粉末の５重量％溶液を
用いた。
なる炭素繊維からなり、撥水処理を行った厚み及び固有
抵抗の異なる炭素紙、およびＰＴＦＥを添加した炭素微
粉末からなるシートを用いた。気孔率および細孔径分布
の測定には水銀ポロシメーター（島津製作所製）を用い
た。 （実施例１）白金触媒を１０〜２５重量％担持させた炭
素微粉末を、ポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴ
ＦＥとする）を２５〜７０重量％添加することによって
撥水処理した炭素微粉末と混合し、触媒層用混合粉末と
した。この混合粉末を、４フッ化エチレンと６フッ化プ
ロピレンとの共重合体からなるフッ素樹脂（以後ＦＥＰ
と略す）を重量比で３０〜６０％添加した、ＰＡＮを原
料とする炭素繊維からなる厚さ０．１mmの炭素紙Ａに散
布し、予備成型した。この成型体を３４０〜３８０℃の
温度、５〜２０kg/cm2の圧力でホットプレスしてガス拡
散電極を作成し、この電極上にイオン交換樹脂溶液を塗
布した電極をＡ’とする。イオン交換樹脂溶液は、米国
デュポン社製のＮａｆｉｏｎを用いた米国アルドリッチ
・ケミカル社製のイオン交換樹脂粉末の５重量％溶液を
用いた。
【００１１】白金量は０．０１〜０．５mg/cm2、イオン
交換樹脂量は０．３〜１．０mg/cm2とした。電極Ａ’と
イオン交換膜とを１２０〜１６０℃の温度、２０〜６０
kg/cm2の圧力でホットプレスし、負極とイオン交換膜と
正極との接合を行った。この接合体を用いて図１に示し
た固体高分子型燃料電池の単セルＣＡを作成した。図１
中、１０はイオン交換膜を示し、本実施例および比較例
では米国デュポン社製のＮａｆｉｏｎ１１７を用いた。
１１および１２はそれぞれ負極および正極を示した。 （実施例２）実施例１において、電極基板にＰＡＮを原
料とする炭素繊維からなる厚さ０．２mmの炭素紙Ｂを用
いて電極Ｂ’および単セルＣＢを作製した以外は実施例
１と全く同じである。 （実施例３）実施例１において、電極基板にＰＡＮを原
料とする炭素繊維からなる厚さ０．３mmの炭素紙Ｃを用
いて電極Ｃ’および単セルＣＣを作製した以外は実施例
１と全く同じである。 （実施例４）実施例１において、電極基板にＰＡＮを原
料とする炭素繊維からなる厚さ０．４mmの炭素紙Ｄを用
いて電極Ｄ’および単セルＣＤを作製した以外は実施例
１と全く同じである。 （比較例１）実施例１において、電極基板にセルロース
を原料とする炭素繊維からなる厚さ０．４４mmの炭素紙
Ｅを用いて電極Ｅ’および単セルＣＥを作製した以外は
実施例１と全く同じである。 （比較例２）実施例１において、電極基板にピッチを原
料とする炭素繊維からなる厚さ０．４mmの炭素紙Ｆを用
いて電極Ｆ’および単セルＣＦを作製した以外は実施例
１と全く同じである。 （比較例３）実施例１において、電極基板にＰＴＦＥを
５０〜７０重量％添加した炭素微粉末からなる導電性シ
ートＧを用いて電極Ｇ’および単セルＣＧを作製した以
外は実施例１と全く同じである。
交換樹脂量は０．３〜１．０mg/cm2とした。電極Ａ’と
イオン交換膜とを１２０〜１６０℃の温度、２０〜６０
kg/cm2の圧力でホットプレスし、負極とイオン交換膜と
正極との接合を行った。この接合体を用いて図１に示し
た固体高分子型燃料電池の単セルＣＡを作成した。図１
中、１０はイオン交換膜を示し、本実施例および比較例
では米国デュポン社製のＮａｆｉｏｎ１１７を用いた。
１１および１２はそれぞれ負極および正極を示した。 （実施例２）実施例１において、電極基板にＰＡＮを原
料とする炭素繊維からなる厚さ０．２mmの炭素紙Ｂを用
いて電極Ｂ’および単セルＣＢを作製した以外は実施例
１と全く同じである。 （実施例３）実施例１において、電極基板にＰＡＮを原
料とする炭素繊維からなる厚さ０．３mmの炭素紙Ｃを用
いて電極Ｃ’および単セルＣＣを作製した以外は実施例
１と全く同じである。 （実施例４）実施例１において、電極基板にＰＡＮを原
料とする炭素繊維からなる厚さ０．４mmの炭素紙Ｄを用
いて電極Ｄ’および単セルＣＤを作製した以外は実施例
１と全く同じである。 （比較例１）実施例１において、電極基板にセルロース
を原料とする炭素繊維からなる厚さ０．４４mmの炭素紙
Ｅを用いて電極Ｅ’および単セルＣＥを作製した以外は
実施例１と全く同じである。 （比較例２）実施例１において、電極基板にピッチを原
料とする炭素繊維からなる厚さ０．４mmの炭素紙Ｆを用
いて電極Ｆ’および単セルＣＦを作製した以外は実施例
１と全く同じである。 （比較例３）実施例１において、電極基板にＰＴＦＥを
５０〜７０重量％添加した炭素微粉末からなる導電性シ
ートＧを用いて電極Ｇ’および単セルＣＧを作製した以
外は実施例１と全く同じである。
【００１２】図２に本発明の実施例の炭素紙Ａおよび比
較例の炭素紙Ｅ、Ｆ、導電性シートＧの細孔分布を示し
た。なお本実施例の炭素紙Ｂ、Ｃ、Ｄは炭素紙Ａとほぼ
同じ細孔分布を示した。炭素紙Ａでは直径１０〜１００
μｍの細孔が全細孔容積の大部分を占めているのに対
し、炭素紙Ｅ、Ｆでは直径４０〜３００μｍの細孔が全
細孔容積の大部分を占めている。また、導電性シートＧ
では直径０．０２〜１μｍの細孔が全細孔容積の大部分
を占めていることがわかる
較例の炭素紙Ｅ、Ｆ、導電性シートＧの細孔分布を示し
た。なお本実施例の炭素紙Ｂ、Ｃ、Ｄは炭素紙Ａとほぼ
同じ細孔分布を示した。炭素紙Ａでは直径１０〜１００
μｍの細孔が全細孔容積の大部分を占めているのに対
し、炭素紙Ｅ、Ｆでは直径４０〜３００μｍの細孔が全
細孔容積の大部分を占めている。また、導電性シートＧ
では直径０．０２〜１μｍの細孔が全細孔容積の大部分
を占めていることがわかる
【００１３】
【表２】
【００１４】（表２）に本発明の実施例および比較例の
電極の気体透過速度を示した。気体透過速度の測定は、
Ｎａｆｉｏｎを塗布しない電極を用いて加湿しない酸素
の透過速度を石鹸膜法によって測定した。本発明の実施
例の電極Ａ’、Ｂ’、Ｃ’、Ｄ’の気体透過速度はそれ
ぞれ０．０８８、０．０８６、０．０８３、０．０７９
cc/cm2scmHgであり、拡散層の厚みが小さくなるに伴っ
て気体透過速度は大きくなることがわかる。また、比較
例の電極Ｅ’、Ｆ’、Ｇ’の気体透過速度がそれぞれ、
０．０８４、０．１００、０．０６１cc/cm2scmHgであ
った。本実施例の電極Ｄ’と比較例の電極Ｅ’、Ｆ’は
その厚みがほぼ同じであるが、その気体透過速度は電極
Ｆ’、Ｅ’、Ｄ’の順に大きくなった。（表１）より、
ガス拡散層の気孔率は、本実施例の炭素紙Ｄでは５４％
であるのに対し、比較例の炭素紙Ｅ、Ｆではそれぞれ６
１％、６９％であった。このことより拡散層の厚みが同
じであれば、拡散層の気孔率が大きいほど電極の気体透
過速度が大きくなることがわかる。
電極の気体透過速度を示した。気体透過速度の測定は、
Ｎａｆｉｏｎを塗布しない電極を用いて加湿しない酸素
の透過速度を石鹸膜法によって測定した。本発明の実施
例の電極Ａ’、Ｂ’、Ｃ’、Ｄ’の気体透過速度はそれ
ぞれ０．０８８、０．０８６、０．０８３、０．０７９
cc/cm2scmHgであり、拡散層の厚みが小さくなるに伴っ
て気体透過速度は大きくなることがわかる。また、比較
例の電極Ｅ’、Ｆ’、Ｇ’の気体透過速度がそれぞれ、
０．０８４、０．１００、０．０６１cc/cm2scmHgであ
った。本実施例の電極Ｄ’と比較例の電極Ｅ’、Ｆ’は
その厚みがほぼ同じであるが、その気体透過速度は電極
Ｆ’、Ｅ’、Ｄ’の順に大きくなった。（表１）より、
ガス拡散層の気孔率は、本実施例の炭素紙Ｄでは５４％
であるのに対し、比較例の炭素紙Ｅ、Ｆではそれぞれ６
１％、６９％であった。このことより拡散層の厚みが同
じであれば、拡散層の気孔率が大きいほど電極の気体透
過速度が大きくなることがわかる。
【００１５】また、比較例の電極Ｇ’は拡散層が最も薄
いがそのガス透過速度は最も小さかった。これは図２に
示したように、実施例および比較例の炭素紙ではその細
孔容積の大部分が直径１０〜３００μｍの細孔で占めら
れているのに対し、導電性シートＧは直径１０〜３００
μｍの細孔は細孔容積の８％しか占めておらず、直径
０．０２〜１μｍの小さな孔が細孔容積の６７％を占め
ている。このように導電性シートＧは実施例および比較
例の炭素紙と比較して孔径が非常に小さいために、電極
Ｇ’はガス透過速度が最も小さくなったと考えられる。
いがそのガス透過速度は最も小さかった。これは図２に
示したように、実施例および比較例の炭素紙ではその細
孔容積の大部分が直径１０〜３００μｍの細孔で占めら
れているのに対し、導電性シートＧは直径１０〜３００
μｍの細孔は細孔容積の８％しか占めておらず、直径
０．０２〜１μｍの小さな孔が細孔容積の６７％を占め
ている。このように導電性シートＧは実施例および比較
例の炭素紙と比較して孔径が非常に小さいために、電極
Ｇ’はガス透過速度が最も小さくなったと考えられる。
【００１６】なお本発明の実施例ではフッ素樹脂量を３
０〜６０重量％としたが、フッ素樹脂量が３０％未満で
あると、フッ素樹脂が炭素繊維を完全に被覆できず、十
分な撥水性を示さないために、加湿ガスに含まれる水で
電極のフラッディングが起こり、ガス透過能が低下す
る。また、フッ素樹脂量が６０重量％を超えると拡散層
がフッ素樹脂によって目詰まりし、気孔率が減少してガ
ス透過能が低下する。このように本実施例および比較例
の炭素紙の気孔率はフッ素樹脂の添加量によって可変で
あり、本実施例では撥水処理後の気孔率が５４〜６０％
のものを用いたが、撥水処理後の気孔率が４５％以上で
あれば同様の効果が得られた。一方、フッ素樹脂の添加
量を減少させて撥水処理後の炭素紙の気孔率を７０％よ
り大きくすると、十分な撥水性を示さずにフラッディン
グを起こして気体透過能が低下した。
０〜６０重量％としたが、フッ素樹脂量が３０％未満で
あると、フッ素樹脂が炭素繊維を完全に被覆できず、十
分な撥水性を示さないために、加湿ガスに含まれる水で
電極のフラッディングが起こり、ガス透過能が低下す
る。また、フッ素樹脂量が６０重量％を超えると拡散層
がフッ素樹脂によって目詰まりし、気孔率が減少してガ
ス透過能が低下する。このように本実施例および比較例
の炭素紙の気孔率はフッ素樹脂の添加量によって可変で
あり、本実施例では撥水処理後の気孔率が５４〜６０％
のものを用いたが、撥水処理後の気孔率が４５％以上で
あれば同様の効果が得られた。一方、フッ素樹脂の添加
量を減少させて撥水処理後の炭素紙の気孔率を７０％よ
り大きくすると、十分な撥水性を示さずにフラッディン
グを起こして気体透過能が低下した。
【００１７】また、本発明の炭素紙はＦＥＰを用いて撥
水処理を行ったが、その他の撥水材としてＰＴＦＥが挙
げられる。しかし、ＦＥＰは溶融粘度が１０４〜１０５
ポイズであるのに対し、ＰＴＦＥは溶融粘度が１０１０
〜１０１１ポイズと高い。そのため熱処理によって溶融
するとＦＥＰは流動性が生じて炭素繊維を均一に被覆す
るが、ＰＴＦＥは流動性が生じないため、炭素繊維上に
斑点状に分布する。よってＰＴＦＥによる撥水処理を行
った拡散層を用いた電極は、撥水性の低下が起こり、電
極の濡れによる目詰まりが起こって電極の気体透過能が
低下する。
水処理を行ったが、その他の撥水材としてＰＴＦＥが挙
げられる。しかし、ＦＥＰは溶融粘度が１０４〜１０５
ポイズであるのに対し、ＰＴＦＥは溶融粘度が１０１０
〜１０１１ポイズと高い。そのため熱処理によって溶融
するとＦＥＰは流動性が生じて炭素繊維を均一に被覆す
るが、ＰＴＦＥは流動性が生じないため、炭素繊維上に
斑点状に分布する。よってＰＴＦＥによる撥水処理を行
った拡散層を用いた電極は、撥水性の低下が起こり、電
極の濡れによる目詰まりが起こって電極の気体透過能が
低下する。
【００１８】図３に本発明の実施例および比較例の固体
高分子型燃料電池の電圧−電流特性をそれぞれ示した。
なお放電試験は負極側に９０℃の温度で加湿した水素ガ
スを、また酸素側に８０℃の温度で加湿した酸素ガスを
それぞれ供給して行った。電池の内部抵抗は１kHzの交
流で測定を行った。本発明の実施例の燃料電池ＣＡ、Ｃ
Ｂ、ＣＣ、ＣＤは電流密度２００mA/cm2において、それ
ぞれ０．６９、０．６８、０．６６、０．６４Ｖの電池
電圧を示した。一方、比較例の燃料電池ＣＥ、ＣＦ、Ｃ
Ｇは電流密度２００mA/cm2においてそれぞれ、０．６
４、０．６０、０．６０Ｖの電池電圧を示した。
高分子型燃料電池の電圧−電流特性をそれぞれ示した。
なお放電試験は負極側に９０℃の温度で加湿した水素ガ
スを、また酸素側に８０℃の温度で加湿した酸素ガスを
それぞれ供給して行った。電池の内部抵抗は１kHzの交
流で測定を行った。本発明の実施例の燃料電池ＣＡ、Ｃ
Ｂ、ＣＣ、ＣＤは電流密度２００mA/cm2において、それ
ぞれ０．６９、０．６８、０．６６、０．６４Ｖの電池
電圧を示した。一方、比較例の燃料電池ＣＥ、ＣＦ、Ｃ
Ｇは電流密度２００mA/cm2においてそれぞれ、０．６
４、０．６０、０．６０Ｖの電池電圧を示した。
【００１９】また、単電池の内部抵抗は実施例の燃料電
池ＣＡ、ＣＢ、ＣＣ、ＣＤではそれぞれ１１．０、１
２．５、１４．０、１６．０ｍΩであるのに対し、比較
例の燃料電池ＣＥ、ＣＦ、ＣＧではそれぞれ１６．０ｍ
Ω、１９．０ｍΩ、１７．０ｍΩであった。実施例の電
池ＣＡ、ＣＢ、ＣＣ、ＣＤでは、厚さ方向の固有抵抗が
等しいためガス拡散層の厚みが小さくなるのに従って電
極の抵抗が小さくなり、電池の内部抵抗が低くなる。同
時にガス透過速度も大きくなることによって、電池の放
電特性が向上する。また、ガス拡散層の厚みがほぼ等し
い実施例の電池Ｃ Ｄと比較例の電池ＣＥＣＦを比較する
と、実施例の電池ＣＤと比較例の電池ＣＥはほぼ同じ特
性を示したが、比較例の電池ＣＦは、電池ＣＤおよびＣ
Ｅより低い特性を示した。
池ＣＡ、ＣＢ、ＣＣ、ＣＤではそれぞれ１１．０、１
２．５、１４．０、１６．０ｍΩであるのに対し、比較
例の燃料電池ＣＥ、ＣＦ、ＣＧではそれぞれ１６．０ｍ
Ω、１９．０ｍΩ、１７．０ｍΩであった。実施例の電
池ＣＡ、ＣＢ、ＣＣ、ＣＤでは、厚さ方向の固有抵抗が
等しいためガス拡散層の厚みが小さくなるのに従って電
極の抵抗が小さくなり、電池の内部抵抗が低くなる。同
時にガス透過速度も大きくなることによって、電池の放
電特性が向上する。また、ガス拡散層の厚みがほぼ等し
い実施例の電池Ｃ Ｄと比較例の電池ＣＥＣＦを比較する
と、実施例の電池ＣＤと比較例の電池ＣＥはほぼ同じ特
性を示したが、比較例の電池ＣＦは、電池ＣＤおよびＣ
Ｅより低い特性を示した。
【００２０】（表１）より、炭素紙Ａ〜Ｄおよび炭素紙
Ｅの固有抵抗はそれぞれ８０、７５ｍΩｃｍとほぼ同じ
であるが、炭素紙Ｆの固有抵抗は１２０ｍΩｃｍと大き
い。その結果、電池ＣＦでは、ガス拡散層の厚みがほぼ
等しい。すなわち電極の厚みは等しいが、電池の内部抵
抗が電池ＣＤ、ＣＥと比較して高くなり、オーム損が大
きくなって２００mA/cm2における電池電圧が低くなった
と考えられる。
Ｅの固有抵抗はそれぞれ８０、７５ｍΩｃｍとほぼ同じ
であるが、炭素紙Ｆの固有抵抗は１２０ｍΩｃｍと大き
い。その結果、電池ＣＦでは、ガス拡散層の厚みがほぼ
等しい。すなわち電極の厚みは等しいが、電池の内部抵
抗が電池ＣＤ、ＣＥと比較して高くなり、オーム損が大
きくなって２００mA/cm2における電池電圧が低くなった
と考えられる。
【００２１】さらに、本実施例の燃料電池ＣＡ、ＣＢ、
ＣＣ、ＣＤの限界電流密度はそれぞれ、６７０、６２
５、５７０、５００mA/cm2であり、ガス拡散層が薄い、
すなわち電極の気体透過速度が大きくなるに従って、電
池の限界電流密度が大きくなった。また、比較例の電池
ＣＥ、ＣＦ、ＣＧの限界電流密度はそれぞれ、５２０、
４５０、４１０mA/cm2であった。電極Ｆ’の気体透過速
度は最も大きいが、電池ＣＦの限界電流密度が小さくな
った。これは、電池の内部抵抗が大きいためにオーム損
による電圧降下が大きくなるためと考えられる。
ＣＣ、ＣＤの限界電流密度はそれぞれ、６７０、６２
５、５７０、５００mA/cm2であり、ガス拡散層が薄い、
すなわち電極の気体透過速度が大きくなるに従って、電
池の限界電流密度が大きくなった。また、比較例の電池
ＣＥ、ＣＦ、ＣＧの限界電流密度はそれぞれ、５２０、
４５０、４１０mA/cm2であった。電極Ｆ’の気体透過速
度は最も大きいが、電池ＣＦの限界電流密度が小さくな
った。これは、電池の内部抵抗が大きいためにオーム損
による電圧降下が大きくなるためと考えられる。
【００２２】このように固体高分子型燃料電池では、そ
の放電特性を向上させるためには、気体透過速度が大き
く、かつ抵抗の低い電極が必要である。このような電極
を実現するには体積固有抵抗が小さく、かつより薄いガ
ス拡散層を用いることが一つの手段としてあげられる。
しかし、（表１）に示したようにセルロースやピッチを
原料とする炭素繊維からなる炭素紙Ｅ、Ｆはその強度が
数十から１５０kg/cm2と小さいために、その厚みを０．
３mm以下にすることが困難であった。これに対し、ＰＡ
Ｎを原料とする炭素繊維からなる炭素紙Ａ〜Ｄはその曲
げ強度が４００kg/cm2と非常に高いために０．１mmまで
厚みを小さくすることが可能であり、よって電極の薄層
化が実現し、気体透過速度が大きく、かつ抵抗の低い固
体高分子型燃料電池用電極を得ることができた。
の放電特性を向上させるためには、気体透過速度が大き
く、かつ抵抗の低い電極が必要である。このような電極
を実現するには体積固有抵抗が小さく、かつより薄いガ
ス拡散層を用いることが一つの手段としてあげられる。
しかし、（表１）に示したようにセルロースやピッチを
原料とする炭素繊維からなる炭素紙Ｅ、Ｆはその強度が
数十から１５０kg/cm2と小さいために、その厚みを０．
３mm以下にすることが困難であった。これに対し、ＰＡ
Ｎを原料とする炭素繊維からなる炭素紙Ａ〜Ｄはその曲
げ強度が４００kg/cm2と非常に高いために０．１mmまで
厚みを小さくすることが可能であり、よって電極の薄層
化が実現し、気体透過速度が大きく、かつ抵抗の低い固
体高分子型燃料電池用電極を得ることができた。
【００２３】以上のことより本発明の電極を用いて固体
高分子燃料電池を構成することによって、より高い放電
性能を発揮する固体高分子型燃料電池を実現することが
可能となった。
高分子燃料電池を構成することによって、より高い放電
性能を発揮する固体高分子型燃料電池を実現することが
可能となった。
【００２４】なお、本実施例では、固体高分子型燃料電
池の一例として水素−酸素燃料電池を取り上げたが、メ
タノール、天然ガスやナフサなどを燃料とする改質水素
を用いた燃料電池、また、酸化剤として空気を用いた固
体高分子型燃料電池に適用することも可能である。
池の一例として水素−酸素燃料電池を取り上げたが、メ
タノール、天然ガスやナフサなどを燃料とする改質水素
を用いた燃料電池、また、酸化剤として空気を用いた固
体高分子型燃料電池に適用することも可能である。
【００２５】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、ポリア
クリロニトリルを原料とする炭素繊維からなる炭素紙を
撥水処理したガス拡散層を用いることによって、ガス拡
散層および電極の薄層化が可能となり、ガス透過能を向
上させることが可能となった。さらに、電極の抵抗およ
び電池の内部抵抗を減少させることが可能となり、放電
特性の優れた固体高分子型燃料電池を提供できる。
クリロニトリルを原料とする炭素繊維からなる炭素紙を
撥水処理したガス拡散層を用いることによって、ガス拡
散層および電極の薄層化が可能となり、ガス透過能を向
上させることが可能となった。さらに、電極の抵抗およ
び電池の内部抵抗を減少させることが可能となり、放電
特性の優れた固体高分子型燃料電池を提供できる。
【図１】固体高分子型燃料電池の単電池の断面図
【図２】本発明の実施例および比較例のガス拡散層の細
孔分布を示した図
孔分布を示した図
【図３】本発明の実施例および比較例の固体高分子型燃
料電池の電流−電圧特性を示した図
料電池の電流−電圧特性を示した図
１０ イオン交換膜 １１ 負極 １２ 正極
Claims (7)
- 【請求項１】 ポリアクリロニトリルを原料とする炭素
繊維からなる炭素紙にフッ素樹脂による撥水処理を行っ
たガス拡散層を用いたことを特徴とする固体高分子型燃
料電池用電極。 - 【請求項２】 厚みが０．１〜０．３mmの炭素紙を用い
たことを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電
池用電極。 - 【請求項３】 気孔率が４５〜７０％である撥水処理さ
れた炭素紙を用いたことを特徴とする請求項１記載の固
体高分子型燃料電池用電極。 - 【請求項４】 厚み方向の固有抵抗が８０ｍΩｃｍ以下
である炭素紙を用いたことを特徴とする請求項１記載の
固体高分子型燃料電池用電極。 - 【請求項５】 上記フッ素樹脂量が３０〜６０重量％で
あることを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料
電池用電極。 - 【請求項６】 上記フッ素樹脂が４フッ化エチレンと６
フッ化プロピレンとの共重合体であることを特徴とする
請求項５記載の固体高分子型燃料電池用電極。 - 【請求項７】 請求項１記載の電極を正極もしくは負極
の少なくとも一方に用いたことを特徴とする固体高分子
型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08165393A JP3547013B2 (ja) | 1993-04-08 | 1993-04-08 | 固体高分子型燃料電池用電極およびそれを用いた燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08165393A JP3547013B2 (ja) | 1993-04-08 | 1993-04-08 | 固体高分子型燃料電池用電極およびそれを用いた燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06295728A true JPH06295728A (ja) | 1994-10-21 |
| JP3547013B2 JP3547013B2 (ja) | 2004-07-28 |
Family
ID=13752296
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP08165393A Expired - Fee Related JP3547013B2 (ja) | 1993-04-08 | 1993-04-08 | 固体高分子型燃料電池用電極およびそれを用いた燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3547013B2 (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0917226A2 (en) * | 1997-11-07 | 1999-05-19 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Polymer electrolyte fuel cell |
| WO1999062134A1 (fr) * | 1998-05-27 | 1999-12-02 | Toray Industries, Inc. | Papier de fibres de carbone pour piles a combustible a polymeres solides |
| JP2000182626A (ja) * | 1998-12-15 | 2000-06-30 | Sanyo Electric Co Ltd | 燃料電池用電極、その製造方法及び燃料電池 |
| JP2003317793A (ja) * | 2002-04-23 | 2003-11-07 | Hitachi Ltd | 固体高分子型燃料電池及びそれを用いた発電システム |
| JP2005019222A (ja) * | 2003-06-26 | 2005-01-20 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池スタック |
| JP2006004858A (ja) * | 2004-06-21 | 2006-01-05 | Mitsubishi Rayon Co Ltd | 多孔質電極基材およびその製造方法 |
| WO2006043394A1 (ja) * | 2004-10-19 | 2006-04-27 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 膜電極接合体、その製造方法及び高分子電解質形燃料電池 |
| JP2011060775A (ja) * | 2010-11-15 | 2011-03-24 | Sanyo Electric Co Ltd | ガス拡散層、燃料電池用電極及び燃料電池 |
| JP2013140803A (ja) * | 2004-06-21 | 2013-07-18 | Mitsubishi Rayon Co Ltd | 多孔質電極基材およびその製造方法 |
-
1993
- 1993-04-08 JP JP08165393A patent/JP3547013B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0917226A3 (en) * | 1997-11-07 | 2005-06-22 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Polymer electrolyte fuel cell |
| JPH11144740A (ja) * | 1997-11-07 | 1999-05-28 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 固体高分子型燃料電池 |
| US6194094B1 (en) | 1997-11-07 | 2001-02-27 | Matshushita Electric Industrial Co., Ltd. | Polymer electrolyte fuel cell |
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| JP2005019222A (ja) * | 2003-06-26 | 2005-01-20 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池スタック |
| JP4727912B2 (ja) * | 2003-06-26 | 2011-07-20 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池スタック |
| JP2006004858A (ja) * | 2004-06-21 | 2006-01-05 | Mitsubishi Rayon Co Ltd | 多孔質電極基材およびその製造方法 |
| JP2013140803A (ja) * | 2004-06-21 | 2013-07-18 | Mitsubishi Rayon Co Ltd | 多孔質電極基材およびその製造方法 |
| WO2006043394A1 (ja) * | 2004-10-19 | 2006-04-27 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 膜電極接合体、その製造方法及び高分子電解質形燃料電池 |
| US7687184B2 (en) | 2004-10-19 | 2010-03-30 | Panasonic Corporation | Membrane electrode assembly with a fibrous substrate, method for producing the same and polymer electrolyte fuel cell |
| JP2011060775A (ja) * | 2010-11-15 | 2011-03-24 | Sanyo Electric Co Ltd | ガス拡散層、燃料電池用電極及び燃料電池 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3547013B2 (ja) | 2004-07-28 |
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